[PDF] Introduction à la commande vectorielle des machines asynchrones

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Introduction à la commande

vectorielle des machines asynchrones A. La commande vectorielle, oui...mais pourquoi faire ?

B. Les modélisations de la machine asynchrone

C. Principe d'une commande à flux orienté

D. Annexes

3 A

La commande

vectorielle, oui... mais pourquoi faire ? 4

A1. INTRODUCTION

Tous les fabricants de variateurs de

vitesse, qu'ils soient industriels ou bien distributeurs de matériel à usage pédagogique proposent des variateurs pour machine asynchrone. Historiquement, sont apparus sur le marché des variateurs dits à " U/f = constante » et plus récemment les variateurs à contrôle vectoriel de flux avec ou sans capteur.

Aujourd'hui contrôle vectoriel fait mode

et il faut être prudent car sous l'argument commercial se cache peut-être un convertisseur à

U/f = constante amélioré...

Au-delà de cet aspect purement

commercial, on peut se poser la question de ce que l'on peut présenter à des étudiants BAC+2 en Electrotechnique pour qu'au moins ils aient une idée des performances comparées des

différents types de variateurs, ceci pour leur permettre de faire un choix judicieux de matériel

en fonction de l'application à mettre en oeuvre. Ainsi, s'il s'agit de démarrer tous les matins un moteur asynchrone sans faire varier sa vitesse, le recours au contrôle vectoriel serait stupide !

La présentation théorique du variateur en

U/f ne pose pas de problème à partir de la

modélisation classique de la M.A.S. pour les étudiants. Par contre, détailler la théorie du contrôle vectoriel de flux n'est pas à la portée d'étudiants BAC+2 en Electrotechnique. Mais, il est possible de mettre en évidence de façon expérimentale les performances comparées de plusieurs variateurs. Les résultats expérimentaux présentés ci- dessous ont été obtenus à partir du schéma de principe suivant :

Capteur de

courant

VariateurM.A.S.Frein

Capteur de couple

On dispose d'un réseau triphasé 220V/50 Hz.

Le moteur a une puissance nominale de 1.5 kW, un courant nominal de 6.4 A et une tension nominale de 220 V.

Le couple développé par le moteur est mesuré par un couplemètre dynamique de marque Vibro-

meter. Son étendue de mesure est de +/- 100 N.m. Il dispose de 2 sorties analogiques permettant d'obtenir : - une image de la vitesse de rotation avec un facteur d'échelle de 10 V pour 10000 tr/min, - une image du couple instantané avec un facteur d'échelle de 5 V pour 100 N.m. Il est installé entre le moteur et un frein à courant de Foucault utilisé ici uniquement e n charge inertielle. Enfin un capteur de courant permet de visualiser le courant fourni par le variateur avec un facteur d'échelle de 1 V pour 10 A. 5

A2. DEMARRAGE DIRECT DU MOTEUR

Il est obtenu en fermant le disjoncteur de tête et en supprimant le variateur. On a limité par un

autotransformateur la tension réseau à 190 V pour ne pas saturer le moteur.

L'oscillogramme ci-contre représente

l'évolution du courant moteur (voie RA) et de la vitesse (voie RB).

On note le classique appel de courant

lors de la mise sous tension du moteur (valeur instantanée maximale de 40 A environ). Il serait évidemment encore plus grand sous la tension nominale de 220V.

La montée en vitesse est quasi linéaire

au début du démarrage. La durée de mise en vitesse (environ 2 s) est déterminée par l'inertie totale autour de l'arbre de rotation, le moteur n'étant pas chargé. La vitesse atteinte est proche de 1500 tr/mn (vitesse de synchronisme), le moteur

étant à vide.

L'oscillogramme ci-contre représente

l'évolution du couple instantané (voie A) et de la vitesse (voie B).

On note les oscillations du couple

instantané lors de la mise sous tension pendant une durée de 0.6 s. Ainsi le couple instantané monte à 40 N.m alors que le couple nominal du moteur est de l'ordre de 10 N.m. Bien sûr, ces oscillations seraient encore plus importantes sous tension nominale.

Il est important de bien noter ces

oscillations car le choix du couplemètre dynamique devra être fait à partir de celles-ci et non du couple nominal sous peine de destruction lors d'un tel démarrage.

A la fin de la phase de démarrage, le

couple s'annule puisque le moteur n'est pas chargé. 6

A3. DEMARRAGE AVEC UN VARIATEUR A U/f = constante

On utilise directement le réseau 220 V. La

limitation de courant a été réglée à 150% du courant nomi nal de 6 A du variateur. Aucune rampe d'accélération n'a été imposée. La consigne de vite sse a été réglée à 1500 tr/mn.

L'oscillogramme ci-contre représente

l'évolution du courant moteur (voie A) et de la vitesse (voie B).

L'appel de courant au démarrage est

bien maîtrisé par le réglage de la limitation en courant du variateur. La montée en vitesse est un peu plus rapide que lors du démarrage direct car on fonctionne ici à tension nominale.

L'oscillogramme ci-contre représente

l'évolution du couple instantané (voie A) et de la vitesse (voie B).

On note que les oscillations du couple

instantané n'ont pas disparues bien au contraire. Le variateur à U/f = constante de par son principe (contrôle dit scalaire) n'est pas apte à maîtriser le couple instantané. Il faut que les régimes transitoires électriques aient disparu pour qu'il puisse convenablement travailler.

Le signal issu du couplemètre est

parasité sur la dernière partie de l'oscillogramme. Nous pensons que ceci est dû au découpage MLI de la tension fournie par le variateur qui rayonne sur le câble du couplemètre (problème de CEM). 7

A4. DEMARRAGE AVEC UN VARIATEUR A CONTROLE

VECTORIEL DE FLUX

On utilise directement le réseau 220 V. La

limitation de courant a été réglée à 150% du courant nomi nal de 6 A du variateur. Aucune rampe

d'accélération n'a été imposée. La consigne de vitesse a été réglée à 1

500 tr/mn. Le codeur incrémental

installé en bout d'arbre du moteur doit être raccordé sur le variateur.

L'oscillogramme ci-contre représente

l'évolution du courant moteur (voie A) et de la vitesse (voie B).

L'appel de courant au démarrage est

maîtrisé et l'on peut noter l'évolution progressive de la fréquence délivrée par l'onduleur du variateur au cours du démarrage.

L'oscillogramme ci-contre représente

l'évolution du couple instantané (voie

RA) et de la vitesse (voie RB).

On note que les oscillations du couple

instantané ont cette fois disparu lors du démarrage.

Le contrôle vectoriel de flux permet

donc de traiter les régimes transitoires ce que ne permettait pas de faire le variateur précédent.

Le variateur à contrôle vectoriel de flux

est apte à maîtriser le couple instantané. Bien sûr cela se " paie » puisque le codeur permettant de repérer la position du rotor du moteur doit être raccordé. 8

A5. CONCLUSION

Les démarreurs de moteurs (non étudiés ci-dessus) sont utilisés pour limiter l'appel de courant lors

de la mise sous tension, et en aucun cas faits pour contrôler le couple instantané. Les relevés précédents mettent en évidence les spécificités de chaque famille de variateur de vitesse et les performances que l'on peut en attendre. Ils doivent permettre de décrypter les catalogues " constructeur ». Prenons l'exemple de l'ALTIVAR 66 proposé par SCHNEIDER : il s'agit d'un variateur de vitesse pour moteur asynchrone présenté avec 2 options.

Dans la version de base, le constructeur indique une " gamme de vitesse de 1 à 20 ». Cela signifie

que si la vitesse de synchronisme est de 1500 tr/min, le constructeur garantit les performances de min/75201500 tr=jusqu'au synchronisme. Il s'agit alors d'un variateur à U/f = constante qui possède plusieurs lois de commande en U/f

suivant les applications souhaitées (couple constant ou variable). Y figurent également quelques

améliorations possibles comme la compensation " RI » qui permet de ne pas négliger l'influence de la

résistance statorique (*) et la compensation de glissement (**). On parle alors de variateur à E/f =

constante. Mais, il ne faudra pas lui demander de performances au-dessous de 75 tr/min. Toutefois, il existe une option dite " SFVC » : sensorless flux vectoriel control en Anglais ou

contrôle de flux sans capteur en français, qui permet de faire passer la " gamme de vitesse de 1 à 100 ».

On pourra donc descendre jusqu'à 15 tr/min. L'algorithme de commande de l'onduleur est plus complexe que dans le cas d'une commande en U/f classique, mais il n'est toujours pas question de demander du couple à l'arrêt c'est à dire à vitesse nulle.

Si l'application l'exige, on passera alors à l'ALTIVAR 66 à contrôle vectoriel avec capteur (il

s'agit d'un capteur de position du rotor : codeur incrémental). La carte de commande doit alors être

adaptée pour recevoir et traiter les informations du codeur. Dans ce cas la " gamme de vitesse passe de 1

à 1000 ».

Avec un tel produit, il est alors possible d'exiger du couple à l'arrêt, mais il aura fallu en payer le prix en rajoutant le codeur à la facture !

VSRSIS

L SR'

R/gI'RL'R

VEISo

(*) : La commande en U/f se justifie à partir du schéma équivalent classique de la machine asynchrone en

négligeant la résistance statorique. Si l'approximation est bien justifiée à grande vitesse (RSIS négligeable devant la

tension V

S), elle ne l'est plus à petite vitesse puisque RSIS garde à peu près la même valeur alors que VS est

beaucoup plus faible (U/f = cste)

(**) : La compensation de glissement permet de mieux maintenir la vitesse constante du moteur entre un

fonctionnement

à vide et un fonctionnement en charge. La fréquence de l'onduleur est alors supérieure en charge

pour tenir compte du glissement. 9 B

Les modélisations de

la machine asynchrone 10

B1. INTRODUCTION

Tout problème de motorisation avec une machine électrique peut être schématisé de la sorte :

MOTORISATION

SYSTEME

à entraînerGrandeurs de commande :

tension, courant, fréquenceGrandeur réglée : vitesse, couple, position Le choix de la motorisation se fera en fonction de différents critères : - coût de la fabrication - facilité du réglage - problèmes de maintenance

La machine à courant continu a régné en maître jusqu'à ces dernières années car bien que le coût

de fabrication soit assez élevé, les possibilités de réglage (découplage naturel entre le courant dans

l'induit et le flux) sont simples à mettre en oeuvre et faisaient la différence même si la maintenance pose

problème ( balais, collecteur).

Depuis quelques années, grâce à la mise au point de calculateurs " temps réel » rapides, on

exploite de plus en plus les machines asynchrones. Les machines à cage sont de fabrication simple et ne

posent pas de problèmes de maintenance. Par contre, on ne savait pas réaliser le découplage courant-flux

car on ne peut jouer que sur les caractéristiques de la tension du moteur : il n'y a pas d'excitation ! C'est

maintenant chose faite.

Par ailleurs, pour étudier une machine électrique, le but de l'électrotechnicien est d'élaborer un

modèle aussi fin que possible qui puisse rendre compte de la réalité. On sait que le dimensionnement

d'une motorisation se fait en prenant en compte les régimes transitoires ( mise en vitesse ) qui sont plus

contraignants que les régimes établis. Il importe donc que les modèles soient utilisables aussi bien en

régime statique que dynamique. C'est facile à faire pour le moteur à courant continu, ça l'est beaucoup

moins pour le moteur asynchrone. De nombreuses applications industrielles nécessitent un contrôle de vitesse ou de position. La relation fondamentale de la dynamique permet d'écrire : reCCdtd J-=W.

où Ce représente la somme des couples moteurs appliqués, Cr la somme des couples résistants et J le

moment d'inertie de l'ensemble des parties tournantes. On obtient ainsi la vitesse par : ò -+W=Wt reodtCCJ0)(1, ce qui montre que le contrôle de la vitesse (ou de la position qui est la primitive de la vitesse) passe par le contrôle du couple.

La machine

courant continu excitation séparée est bien adaptée

à un contrôle

du couple car il suffit de contrôler son courant induit. Le but à atteindre est de faire la même chose avec la machine asynchrone. 11

B2. MODELISATION EN REGIME PERMANENT

Bibliographie :

1. Cours d'Electrotechnique : T1 Machines tournantes à courants alternatifs par JL

DALMASSO (Collection DIA/BELIN)

2. Cours d'Electrotechnique : T3 Machines à courant alternatif par Cl TOUSSAINT et M

LAVABRE (Collection DUNOD)

3. Modélisation et commande de la machine asynchrone par JP CARON et JP HAUTIER

(Editions TECHNIP) 12

B2.1. PRINCIPE DU FONCTIONNEMENT

1.1. Description sommaire de la machine (schéma avec p =1)

Figure 1 x

S1xS2 xS3xR3xR2xR1

ROTORaaSTATOR

Oaa = (OxS1, OxR1)WWWWsentrefer

Le stator d'une machine asynchrone est

identique celui d'une machine synchrone : 3 enroulements couplés en étoile ou en triangle sont alimentés par un système de tensions équilibrées. Il va en résulter (Théorème de FERRARIS) la création d'un champ magnétique glissant dans l'entrefer de la machine. La vitesse de glissement de ce champ par rapport au stator est:

WWS = wwS/p

où wwS désigne la pulsation du réseau d'alimentation triphasé statorique et p le nombre de bobines de chaque bobinage. p désigne également le nombre de paires de pôles du champ (une paire étant constituée d'un pôle Nord et d'un pôle Sud). Remarque : le stator étant soumis à un champ variable doit être feuilleté pour limiter les pertes par courant de Foucault.

Le rotor de la machine supporte un bobinage

semblable celui du stator : bobinage triphasé à même nombre de pôles que celui du stator. Ces 3

bobinages sont couplés en étoile et court-circuités sur eux-mêmes. Ce type de rotor est dit bobiné mais on

peut envisager un rotor plus sommaire constitué de barres conductrices court-circuitées par un anneau conducteur chaque extrémité. On peut alors montrer que ce rotor à cage d'écureuil se comporte comme un rotor bobiné. Le rotor tourne à une vitesse angulaire

WW à ne pas confondre avec WWS.

En régime permanent WW et WWS sont des constantes mais ça n'est pas le cas en régime variable.

Remarque : Sur la Figure 1, les axes 1, 2, 3

correspondent aux axes des phases statoriques et rotoriques.

Posons :

aa = (OxS, OxR) l'angle fait par une phase rotorique par rapport à la phase statorique correspondante (c'est pourquoi on a omis l'indice). Lorsque la machine tourne, cet angle aa est une fonction du temps. En régime permanent, c'est la dérivée de aa qui est une constante. 13

1.2. Analogie avec un transformateur

Supposons les bobinages rotoriques en

circuit ouvert et le rotor fixe. Lorsque le stator est alimenté, un flux variable engendré par lesquotesdbs_dbs21.pdfusesText_27

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